CN101404215A - 含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，包括以下步骤：通过磁控溅射的方法，在一导电玻璃上溅射一二氧化钛层，并将该二氧化钛层制成多孔状；将导电玻璃放在含有巯基和羧酸基团的有机物中进行浸泡，然后加入一组半导体量子点到多孔二氧化钛层的孔洞中；加入一染料和电解质以及一对电极，形成含有半导体量子点的染料敏化电池。与现有技术相比，具有以下优点：通过改变其量子点的种类，粒径，形貌等，容易改变其吸收谱的峰位，能够吸收几乎全部太阳光，并具有较高的光电转换效率，且在太阳电池工作温度范围非常稳定。采用量子点部分代替含有稀有金属的燃料，能有效降低成本，制备方法简单。

Description

含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法
技术领域
本发明涉及含有半导体量子点染料敏化电池，具体地说是半导体量子点染料敏化电池的制备。
背景技术
目前，在纳米太阳电池的研究领域中，选择合适的敏化剂已成为纳米太阳电池的研究重点。在染料敏化二氧化钛太阳电池中，很多染料在近红外区的吸收很弱，其吸收光谱不能和太阳光谱很好地配合，且选择和制备比较困难，再加上现在公认使用效果最好的联吡啶钌的制备过程比较复杂，而钌本身又是稀有金属，因而价格比较昂贵，来源也比较困难。为提高纳米光电化学电池的光电转换率，选择不同的敏化剂对电池进行敏化成了刻不容缓的问题。
其中，我们注意到量子点具有在紫外和可见光区的强吸收性，易于制备种种优点，及其吸收谱可随种类不同、粒径不同产生位移等特殊的性质。窄禁带半导体纳米晶在作为敏化太阳电池的光敏剂方面有重要的意义，同时量子限制效应导致电子的不连续的能级结构和禁带宽度增加。
半导体量子点具有如下优点：
(1)吸收系数大：量子限域效应使能隙(Eg)随粒径变小而增大，所以量子点结构材料可吸收宽光谱的太阳光。量子点尺度更小时，处于强限域区易形成激子，产生激子吸收带，随着粒径的减小，吸收系数增加。
(2)带间跃迁，形成子带：其光谱是由于带间跃迁的一系列线谱组成。带间跃迁可以使得入射光子能量小于主带隙的光子转化为载流子的动能。可以有多个带隙起作用，产生电子-空穴对。
(3)量子隧道效应与载流子的输运：光伏现象的实质是材料的内光电转换特性，与电子的输运特性有密切关系。电子在纳米尺度量子点空间中运动，当有序量子点阵列内的量子点尺寸与密度可控时，量子隧道效应更显现，利于载流子输运。
使用量子点后，一方面可以部分替代含有稀有金属钌的染料，另外还可以更广泛的吸收太阳光谱能量。但如何来利用窄禁带半导体量子点和有机染料共同修饰多孔二氧化钛电极，这是我们必须要面对的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，它能够控制敏化电池的光电转化过程，形成可以吸收更大光谱范围的染料敏化电池。采用量子点和染料复合敏化，可以防止二氧化钛导带上由光注入产生电子的反向转移，避免收集电子的损失。
本发明实现上述目的的技术方案为：一种含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，包括以下步骤：
1)通过磁控溅射的方法，在一导电玻璃上溅射一二氧化钛层，并将该二氧化钛层制成多孔状；
2)将导电玻璃放在含有巯基和羧酸基团的有机物中进行浸泡，然后加入一组半导体量子点到多孔二氧化钛层的孔洞中；
3)加入一染料和电解质以及一对电极，形成含有半导体量子点的染料敏化电池。
所述步骤2)用以下步骤代替：先将一组半导体量子点用巯基和羧酸基团的有机物进行修饰，再将含有多孔二氧化钛层的导电玻璃浸入半导体量子点溶液中，将半导体量子点组装进入多孔二氧化钛层的孔洞中。
所述步骤1)中，通过丝网印刷或溶胶凝胶的方法将二氧化钛层制成多孔的二氧化钛层。
所述步骤2)中，巯基和羧酸基团的有机物为巯基乙酸。
所述步骤2)中，半导体量子点通过高温热解法制备，取不同反应时间的产物，经过洗涤，粒子粒径筛选，把相同粒径的半导体量子溶解于甲笨溶液中。
所述步骤2)中，半导体量子点为硒化镉，硒化锌，碲化镉，硫化铅，硫化镉其中任意一种或多种的组合。
所述步骤3)中，染料的型号为N3或N719。
所述步骤3)中，电解质为I-/I3-。
所述步骤1)中二氧化钛层的厚度为1-20μm。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：通过改变其量子点的种类，粒径，形貌等，可以很容易的改变其吸收谱的峰位，从而能够吸收几乎全部太阳光，并具有较高的光电转换效率，且在太阳电池工作温度范围非常稳定。
采用量子点部分代替含有稀有金属的燃料，能有效降低成本，制备方法简单。
附图说明
图1是本发明的不同粒径硒化镉量子点荧光图。
图2是本发明的硒化镉量子点染料敏化电池示意图。
图3是本发明的不同量子点染料敏化电池示意图。
图中，1玻璃，2导电层，3多孔二氧化钛层，4电解质(I-/I3-)，5对电极，6碲化镉，7硒化镉，8碲化锌。
具体实施方式
在太阳电池装置中，半导体量子点作为敏化剂的优点：通过控制量子点的尺寸可以调节它们的能级结构，根据公式：
λ＝2.14/Eg
如图1所示，其中A为红色，B为黄色，C为绿色，D为蓝色。当粒子的粒径变小时候，能带产生***，导致禁带宽度Eg的增大，禁带宽度的改变，将会使得其吸收谱线λ发生对应变化，从而可以改变它们的发射光谱的位置，产生不同的荧光，亦即随着量子点粒径的增大，其荧光从蓝色D直至变到红色A。换句话说，可以根据不同粒径的量子点去吸收相匹配的太阳光线能量。再加上使用不同的类型量子点，可以更好的匹配太阳光谱，达到宽范围吸收太阳光的目的。
如图2，3所示，本发明的制备步骤如下：
1)通过磁控溅射的方法，在导电玻璃(SnO2：F，玻璃1和导电层2的组合，简称FTO)溅射一层薄的二氧化钛层，起到阻止电解质4与导电基底直接接触引起电池短路的问题。通过丝网印刷或溶胶凝胶方法等技术手段得到具有多孔结构的二氧化钛层3，其厚度为1-20μm。
2)将导电玻璃(FTO)在含有巯基和羧酸基团有机物中，如巯基乙酸中进行浸泡，再加入半导体量子点如硒化镉，硒化锌，碲化镉，硫化铅，硫化镉等。图2所示的是吸附有染料和同一种量子点多孔二氧化钛层3，图3所示的是吸附有染料和不同量子点多孔二氧化钛层3，其中包括碲化镉6，硒化镉7，碲化锌8。由于巯基的络合作用，可以络合含有镉离子、锌离子、铅离子等重金属元素的半导体量子点，进而组装到多孔二氧化钛层3的孔道中。上述高质量的量子点通过高温热解法制备。
也可先将各类量子点用巯基乙酸进行修饰，再将含有多孔二氧化钛层3的导电玻璃(FTO)浸入量子点溶液中，将量子点组装进入二氧化钛层3的孔道。
3)加入染料如N3，N719等，(I-/I3-)电解质4，以及镀铂对电极5，形成含有量子点的敏化电池。
实施例1
在导电玻璃(FTO)上用磁控溅射法先溅射一薄层二氧化钛，通过溶胶凝胶技术手段在其上用旋转涂敷(Spin-Coating)的方法得到具有多孔结构的二氧化钛层，所得薄层厚度为1-20μm。在含有巯基和羧酸基团的巯基乙酸溶液中进行浸泡，羧酸根可以吸附于二氧化钛表面。用高温热解法制备硒化镉半导体量子点，经过洗涤和离心分离后，把硒化镉半导体量子点溶解于甲苯中。含有多孔二氧化钛薄层的导电玻璃浸入量子点溶液，由于巯基的络合金属离子的功能，可以络合硒化镉量子点，进而将硒化镉量子点组装到多孔二氧化钛薄层的孔洞中，加入染料(N3)和电解质(I-/I3-)，形成含有量子点的染料敏化电池(见图2)。
实施例2
在导电玻璃(FTO)上用磁控溅射法先溅射一薄层二氧化钛，通过溶胶凝胶技术手段在其上得到具有多孔结构的二氧化钛层，薄层厚度为1-20μm。
用高温热解法制备碲化镉，硒化镉，碲化锌量子点，经过洗涤，粒子粒径筛选后，将相同粒径的不同量子点溶解于甲苯溶液中，加入巯基乙酸对量子点表面进行修饰和络合。
将含有多孔二氧化钛层的导电玻璃浸入上述制得的含有硒化锌量子点溶液中浸泡。接着，按次序将其放入含有硒化镉量子点和碲化镉量子点溶液中浸泡。羧基可以吸附于二氧化钛表面。从而将硒化锌，硒化镉，碲化镉量子点分别组装到多孔二氧化钛薄层的孔洞中，由于硒化锌，硒化镉，碲化镉的禁带宽度不同，因此可以吸收不同范围的太阳光谱。加入染料(N3)和电解质(I-/I3-)，形成含有不同量子点，不同吸收太阳光源的的染料敏化电池(见图3)。
实施例3
在导电玻璃(FTO)上用磁控溅射法先溅射一薄层二氧化钛薄层，通过溶胶凝胶技术在其上得到具有多孔结构的二氧化钛层，薄层厚度为1-20μm。
用高温热解法制备硒化镉量子点，取不同反应时间的产物。经过洗涤后，溶解于甲苯溶液中(见图1)，加入巯基乙酸对量子点表面进行修饰和络合。
将含有多孔二氧化钛层的导电玻璃浸入上述制得的含有发蓝光波长的硒化镉锌量子点溶液中浸泡。接着，按次序将其放入发黄色荧光和红色荧光硒化镉量子溶液中浸泡。羧基可以吸附于二氧化钛表面。从而将不同粒径的硒化镉量子点组装到多孔二氧化钛薄层的孔洞中，加入染料(N3)和电解质(I-/I3-)，形成含有不同量子点，不同吸收太阳光源的的染料敏化电池。

Claims (9)

1、一种含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过磁控溅射的方法，在一导电玻璃上溅射一二氧化钛层，并将该二氧化钛层制成多孔状；
2)将导电玻璃放在含有巯基和羧酸基团的有机物中进行浸泡，然后加入一组半导体量子点到多孔二氧化钛层(3)的孔洞中；
3)加入一染料和电解质(4)以及一对电极(5)，形成含有半导体量子点的染料敏化电池。
2、如权利要求1所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤2)用以下步骤代替：先将一组半导体量子点用巯基和羧酸基团的有机物进行修饰，再将含有多孔二氧化钛层(3)的导电玻璃浸入半导体量子点溶液中，将半导体量子点组装进入多孔二氧化钛层(3)的孔洞中。
3、如权利要求1或2所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，通过丝网印刷或溶胶凝胶的方法将二氧化钛层制成多孔的二氧化钛层(3)。
4、如权利要求3所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，巯基和羧酸基团的有机物为巯基乙酸。
5、如权利要求4所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，半导体量子点通过高温热解法制备，取不同反应时间的产物，经过洗涤，粒子粒径筛选，把相同粒径的半导体量子溶解于甲笨溶液中。
6、如权利要求5所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，半导体量子点为硒化镉，硒化锌，碲化镉，硫化铅，硫化镉其中任意一种或多种的组合。
7、如权利要求6所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，染料的型号为N3或N719。
8、如权利要求7所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，电解质为I-/I3-。
9、如权利要求7所述的含有半导体量子点的染料敏化电池的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中二氧化钛层的厚度为1-20μm。
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